ITPI20130047A1 - Dispositivo passivo per l'identificazione di oggetti a radio frequenza - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

Descrizione della tecnica nota: La struttura usualmente impiegata nei dispositivi per identificazione a radio frequenza è basata su antenne caricate con un dispositivo attivo (chip). Tale dispositivo attivo viene usualmente alimentato estraendo dall'onda elettromagnetica incidente l'energia per il suo funzionamento. Talvolta, in casi di difficile rilevazione dell'oggetto, il dispositivo attivo viene alimentato mediante una batteria per aumentare il campo riflesso. A differenza di tale struttura, la configurazione proposta è in grado di funzionare senza la presenza del dispositivo attivo. Questa caratteristica rende la struttura molto vantaggiosa in quanto consente una sostanziale riduzione nei costi di produzione. Inoltre la struttura permette anche una reale riduzione della potenza trasmessa oppure un aumento del range di identificazione a parità di potenza inviata. La presenza del chip è come noto la parte più costosa del tag RFID (K. Finkenzeller , RFID Handbook: Radio-Frequency Identification Fundamentals and Applications. Hoboken, NJ: Wiley, 2004; V. Chawla and D. S. Ha, "An overview of passive RFID", IEEE Communication Magazine, voi. 45, no. 9, pp . 11-17, Sep. 2007).

Sono stati effettuati in passato alcuni tentativi finalizzati alla progettazione di una struttura interamente passiva per l'identificazione a radio frequenza. Le tecniche possono essere suddivise in due gruppi: tecniche nel dominio del tempo (TD) e tecniche nel dominio della Nella prima tipologia rientrano i dispositivi chipless noti come Surface Acoustic Wave (SAW) tags (W. E. Bulst, G.

and L. Reindl, "State of the art in wireless sens ng with surface acoustic waves IEEE Trans. Ind. 48 pp . 265-271, Apr. 2001; V. Plessky, L. Reindl, "Rev iew on SAW RFID Tags" , IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq . Control, 2010, 57, (3) , pp . 654 -668} . I tag SAW sfruttano la peculiarità dei materiali piezoelettrici che permettono una trasformazione di onde elettromagnetiche in onde superficiali acustiche 100000 volte più lente. I tag di tipo SAW sono relativamente a basso costo e possono essere realizzato con tecnologia fotolitografica, anche se il funzionamento nella regione delle microonde richiede una litografia sub micrometrica molto costosa. La dimensione del circuito piezoelettrico è piccola ma l'area occupata, come per i convenzionali chip-tag, è direttamente correlata alla dimensione dell’antenna. Rientrano nella seconda tipologia i dispositivi nel dominio della frequenza (FD) che codificano i dati nello spettro utilizzando le strutture risonanti. Ciascun bit è solitamente associato con la presenza o l'assenza di un picco di risonanza ad una frequenza predeterminata nello spettro. Questi tag hanno il vantaggio di essere robusti e completamente stampabili oltre ad avere grandi potenzialità di memorizzazione dei dati e dei costi di fabbricazione molto bassi. Alcuni esempi sono in (Y. Tikhov, et al., "RFID barcode and RFID barcode reading System," Patent No. US20070164121 ; N. C. Karraakar et al., "Radio frequency trasponder" , No. WO/ 2009/126999 ; A. Vena et al. "Chipless passive RFID Tag", No. US 20130015248 Al (WO 2011098719 A2) ; S. Preradovic et al . "Chipless RFID - Barcode of thè future" , IEEE Microwave Magazine, vol. 11, no. 7, pp . 87-97 ,December 2010; S. Preradovic et al. "Chipless RFID - Barcode of thè future", IEEE Microwave Magazine, vol. 11, no. 7, pp . 87-97 ,December 2010; A .T . Blischak et. al. "Embedded Singularity Chipless RFID Tags," IEEE Trans. on Antennas and Propag ., voi. 59

pp. 3961-3968 , Nov . 2011; I. Jalaly et al. , "RF barcodes using multiple frequency bands , " in IEEE MTT-S Microwave Symp. Dig., Long Beach, CA, Jun. 2 005, pp . 139-141; I. Balbin et al ., "Phase-encoded chipless RFID transponder for large- scale lowcost applications , " IEEE Microwave Wireless Compon . Lett., vol. 19, no. 8, pp . 509-511, Aug . 2009; Jang, W.-G. et al., "Design of low-cost chipless System using printable chipless tag with electromagnetic code," IEEE Microw. Wireless Compon. Lett., vol. 20, no. 11, pp . 640-642, Nov . 2010; S. Preradovic et al., "Multiresonator-based chipless RFID System for lowcost item tracking" , IEEE Trans . on Microwave Theory and Tech., voi. 57, no. 5, pp : 1411-1419, May 2009). Le configurazioni sopra elencate sono basate su diverse tipologie di risuonatori stampati su substrati commerciali . Ognuna di esse ha manifestato problemi in termini di sensibilità alla polarizzazione incidente, operatività quando impiegati su strutture metalliche e dimensioni direttamente proporzionali al numero di bit codificati.

È quindi sentita l'esigenza di un dispositivo a bajsso costo operante nel range delle microonde o nel THz in grado di operare come etichetta identificativa per oggetti . Il ridotto ingombro e la robustezza meccanica del sistema progettato ne permette l'utilizzo anche in applicazioni molto estreme come la Gamma Sterilization eseguita nelle aziende farmaceutiche.

Descrizione dell'invenzione; È quindi scopo della presente invenzione fornire un sistema a basso profilo in grado di presentare molteplici picchi di risonanza nella banda delle microonde (a titolo di esempio è possibile citare quella compresa tra 3 GHz e 9 GHz).

Ulteriore scopo dell'invenzione è fornire un materiale in grado di fornire picchi risonanti nel campo riflesso in polarizzazione ortogonale rispetto a quella incidente. Questo permette l'utilizzo del dispositivo anche su superfici metalliche molto di dimensioni molto maggiori della

d'onda del campo elettromagnetico.

È ancora scopo dell'invenzione fornire un malteriale di elevata semplicità realizzava al fine di semplificarne la produzione in serie con costi di produzione molto contenuti.

Questi ed altri scopi sono soddisfatti da un materiale a basso profilo caratterizzato dal fatto di comprendere

- uno schermo costituito da elementi di tipo metallico disposti periodicamente e stampati su un materiale commerciale di spessore utile (solitamente dell' ordine della frazione di mm);

- un materiale a bassa permettività sul quale è appoggiato lo schermo stampato (tipicamente Teflon Fr4 Poliammide) .

- un piano metallico conduttore posto nella parte posteriore del dielettrico di cui sopra.

In particolare detto materiale opera nelle bande di frequenze delle microonde (ad esempio le bande "S", C", "X", individuate dagli standard IEEE) oppure nel range di frequenze del THz.

Vantaggiosamente, la cella unitaria di detto schermo periodico è di tipo multi-"square loop" ossia con molteplici forme ad anello poste una dentro l'altra. Lo schermo comprende una ripetizione di tale forma nelle due direzioni planari, in modo da formare una struttura simmetrica. In una forma realizzava preferita, dette forme ad anello sono complanari e poste parallelamente da detto piano metallico.

Vantaggiosamente, detto schermo stampato comprende:

- un dielettrico commerciale (ad esempio Teflon, FR4 o Poliammide) di spessore dell'ordine della frazione di mm quando operante nel range delle microonde;

- uno strato avente una lo schermo periodico (o superficie selettiva in frequenza) di tipo metallico, disposto su detto strato di materiale dielettrico.

In particolare, detta superficie selettiva in frequenza è stampata su detto dielettrico tramite una tecnica fotolitografica. La funzione degli elementi disposti periodicamente è quella di inoltre ottenere la massimizzazione della riflessione del campo elettromagnetico della componente cross-polare in corrispondenza delle molteplici risonanze . Altresì l'informazione può essere codificata mediante la differenza di fase del campo riflesso tra le due polarizzazioni ortogonali.

Vantaggiosamente, detto dispositivo RFID è reali zzato con uno spessore estremamente ridotto. In tal modo, tale materiale risulta particolarmente performante se impiegato nel mercato delle dell'identificazione a radio frequenza di oggetti .

Il principio su cui si basa il funzionamento della struttura è riconducibile alle analisi tipicamente utilizzate nello studio delle superfici selettive in frequenza. La forma che realizza queste condizioni non è unica, ne abbiamo indicate alcune sulla base delle numerose simulazioni eseguite .

DESCRIZIONE DISEGNI

L'invenzione verrà di seguito illustrata con la descrizione di alcune sue forme realizzative , fatta a titolo esemplificativo e non limitativo, con riferimento ai disegni annessi in cui:

- la figura 1 mostra in vista prospettica una prima tipologia di schermo secondo l'invenzione;

- la figura 2 mostra una siffatto materiale in vista laterale ;

- la figura 3 mostra in pianta alcuni esempi di schermo periodico di tipo ad multi-anello, secondo l'inverizione . - la figura 4 mostra il principio di del dispositivo realizzato per massimizzare la componente cross-polare del campo elettromagnetico riflesso .

la figura 5 mostra il principio di funzionamento del dispositivo realizzato per ottenere una codifica dell'informazione basata sulla differenza di fase delle componenti di campo elettromagnetico riflesso con polarizzazione orizzontale o verticale.

Descrizione delle forme realizzative preferite: Nella descrizione che segue si parlerà di una forma realizzativa preferita di uno schermo secondo l'invenzione.

In particolare in figura 1 è rappresentato un esempio di dispositivo identificativo a radio frequenza (chipless RFID) secondo l'invenzione, comprendente un supporto dielettrico sottile 2 sulla cui superficie è stampata mediante; tecnica fotolitografica una matrice di celle metalliche selettive in frequenza 1, e comprendente un piano metallico posto nella faccia posteriore del dielettrico sottile 3 .

La figura 2 mostra in vista laterale un esempio dispositivo RFID privo di chip secondo l'invenzione già mostrata in figura 1. Tale figura chiarifica la geometria della disposizione dello strato periodico rispetto al conduttore elettrico. Il dispositivo è formato da uno schermo periodico di tipo metallico 1, uno strato di materiale dielettrico a bassa permettività 2 ed un piano conduttore 3. Nella forma realizzava descritta a titolo di esempio, il dispositivo ha uno spessore 1.6 mm.

La figura 3 mostra in pianta un esempio di schermo comprendente una matrice quadrata di celle identiche selettive in frequenza secondo l'invenzione per fotolitografia sulla superficie esposta del già scritto stato di materiale dielettrico 2. La figura 3 mostra inoltre il dettaglio di una singola cella elementare 4. In questo esempio ogni cella 4 è inscritta in un quadrato di lato pari a 15 mm .

La figura 4 mostra un esempio di un dispositivo realizzato per massimizzare la componente cross-polare del campo elettromagnetico riflesso. In questo caso l'informazione binaria è codificata mediante la presenza/assenza del picco risonante. Le caratteristiche riflettenti, per la componente cross-polare (campo elettromagnetico riflesso ortogonale al campo riflesso) ad incidenza normale, di uno dei dispositivi realizzati sistemato su una porta metallica di dimensioni molto maggiori rispetto alla lunghezza d'onda e delle stesse dimensioni del dispositivo. Il coefficiente di riflessione è normalizzato rispetto a quello ottenuto misurando la riflettività della porta in assenza del dispositivo. La figura 4 mostra anche le caratteristiche assorbenti, per la componente co-polare (campo elettromagnetico riflesso parallelo al campo incidente) ad incidenza normale, di uno dei dispositivi realizzati. Il coefficiente di riflessione è calcolato nel caso in cui la struttura sia analizzata senza supporto metallico e il coefficiente di riflessione è normalizzato rispetto a quello di un piano perfettamente conduttore delle stesse dimensioni del dispositivo Detta curva è utile per individuare le frequenze su cui sono localizzati i picchi risonanti della componente cross-polare La figura 5 mostra un esempio di un dispositivo realizzato per ottenere una codifica dell'informazione basata sulla differenza di fase delle componenti di campo elettromagnetico riflesso con polarizzazione orizzontale o verticale. Fissata una dimensione dell'anello rettangolare (denominata y- size in figura5) , variando l'altra dimensione (denominata x-size in figura5) si ottiene una progressiva differenza di fase tra coefficienti di riflessione delle componenti polarizzate orizzontalmente e verticalmente. La codifica dell'informazione è ottenuta quantizzando la differenza di fase a frequenza fissata (la frequenza di riferimento, a titolo di esempio pari a 5.5 GHz in figura 5).

La descrizione di cui sopra di una forma esecutiva specifica è in grado di mostrare l'invenzione dal punto di vista concettuale in modo che altri, utilizzando la tecnica nota, potranno modificare e/o adattare in varie applicazioni tale forma esecutiva specifica senza ulteriori ricerche e senza allontanarsi dal concetto inventivo, e, quindi, si intende che tali adattamenti e modifiche saranno considerabili come equivalenti della forma esecutiva esemplificata. I mezzi e i materiali per realizzare le varie funzioni descritti potranno essere di varia natura senza per questo uscire dall' ambito dell'invenzione. Si intende che le espressioni o la terminologia utilizzate hanno scopo puramente descrittivo e per questo non limitativo .

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Un dispositivo identificativo a radio frequenza (RFID] privo di chip caratterizzato dal fatto di comprendere - Una superficie selettiva in frequenza di tipo metallico stampata su di un substrato sottile; - un substrato dielettrico sottile a bassa permettività caratterizzato da perdite contenute. - Una metallizzazione uniforme posta sul lato posteriore del substrato di detto substrato sottile.
2. 2. Un dispositivo identificativo a radio frequenza privo di chip, secondo la rivendicazione 1, che opera nel range delle microonde oppure nel range del THz.
3. 3. Un dispositivo identificativo a radio frequenza privo di chip, secondo la rivendicazione 1, che in grado di riflettere un segnale elettromagnetico nella polarizzazione ortogonale rispetto a quella incidente in corrispondenza di molteplici picchi risonanti ad alto fattore di merito Q.
4. 4. Un dispositivo identificativo a radio frequenza privo di chip, secondo la rivendicazione 4, che può essere: rilevato anche quando viene sistemato su oggetti metallici molto più grandi della lunghezza d'onda dell'onda elettromagnetica incidente .
5. 5. Un dispositivo identificativo a radio frequenza privo di chip, secondo la rivendicazione 1, per cui il cui numero di picchi risonanti è legato al numero di elementi "squareloop" nella cella elementare.
6. 6. Un dispositivo identificativo a radio frequenza privo di chip, secondo la rivendicazione 1, in grado di produrre una riflessione del segnale elettromagnetico insensibile all'angolo di incidenza.
7. 7. Uno schermo periodico metallico, secondo la rivendicazione 1, in cui detto elemento facente parte della superficie selettiva in frequenza è di tipo anello-multiplo (multiloop) , ossia ha forma di anelli quadrati , circolari o triangolari inseriti uno dentro l'altro, in modo da formare una struttura simmetrica composta da una pluralità di celle disposte a matrice. La dimensione di detto elemento ad anello può essere utilizzata per sintonizzare facilmente la banda di funzionamento di detto dispositivo RFID.
8. 8. Uno schermo periodico metallico, secondo la rivendicazione 3, in cui la forma della cella elementare periodica ad anello-multiplo può essere sostituita con altre forme poligonali regolari o irregolari.
9. 9. Uno schermo periodico, secondo la rivendicazione 1, in cui la matrice di celle periodiche è metallica, è realizzata mediante tecnica fotolitografica e può essere troncata a 2, 3 o più celle per lato a seconda della necessaria intensità del segnale riflesso.
10. 10. Uno schermo periodico, secondo la rivendicazione 1, in cui la forma della cella elementare periodica determina un diversa fase del coefficiente di riflessione a seconda che il dispositivo sia illuminato da un segnale elettromagnetico in polarizzazione verticale o da uno in polarizzazione orizzontale (ad esempio utilizzando una cella unitaria di forma a anello rettangolare) .